摘　要: 從發(fā)電機(jī)激勵力邊頻的產(chǎn)生機(jī)理出發(fā),闡明了發(fā)電機(jī)激勵力邊頻與嘯叫之間的關(guān)系。通過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合,對引起發(fā)電機(jī)嘯叫的原因進(jìn)行了定位,發(fā)現(xiàn)其36 階激勵力的中心頻率的邊頻與發(fā)電機(jī)支架模態(tài)發(fā)生共振是造成嘯叫的主要原因。通過改變發(fā)電機(jī)皮帶輪的直徑,改變激勵力的中心頻率以及邊頻以避開車身模態(tài)。提出了一種通過優(yōu)化邊頻帶,使其避開發(fā)電機(jī)支架模態(tài),以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化與控制發(fā)電機(jī)的嘯叫現(xiàn)象的方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該方法在保證發(fā)電機(jī)供電需求的前提下,使得目標(biāo)車型發(fā)電機(jī)在1 220 kHz 處的聲壓下降12 dB(A),總體聲壓級下降1. 5 dB(A),大幅改善了車輛的聲品質(zhì)。

關(guān)鍵詞:汽車聲品質(zhì);邊頻;發(fā)電機(jī)嘯叫

引　言

隨著國內(nèi)外汽車工業(yè)的發(fā)展,乘用車的功能型性能工藝的日趨成熟,其舒適性在產(chǎn)品開發(fā)中占據(jù)了越來越重要的位置。汽車NVH 性能作為車輛舒適性的重要指標(biāo)之一,逐漸成為汽車廠商差異化競爭的重要標(biāo)的。發(fā)動機(jī)是汽車在中、低速行駛時的主要噪聲源之一,在怠速等工況下,發(fā)動機(jī)的噪聲并不顯著,但發(fā)電機(jī)如果匹配不好,會發(fā)出某些高頻的電磁嘯叫,這對汽車的乘坐舒適性有很大影響。車用發(fā)電機(jī)對汽車舒適性的影響,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一些研究。

文獻(xiàn)[1]對某車型的爪極發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)負(fù)載時爪極發(fā)電機(jī)會產(chǎn)生6 倍數(shù)階次的電磁噪聲,且在中低轉(zhuǎn)速以36 階次電磁噪聲為主。

文獻(xiàn)[2]則采用不同的勵磁方式對發(fā)電機(jī)進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)36 階噪聲對發(fā)電機(jī)總聲壓級作用最大,且隨著轉(zhuǎn)速的上升而增大,隨著勵磁電壓的減小而降低。

文獻(xiàn)[3]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),24 階次和36 階次是電磁噪聲的主要成分。爪極發(fā)電機(jī)的低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的電磁噪聲控制,可以通過錯開電磁力頻率和結(jié)構(gòu)頻率一致時的共振,或削弱電磁力高階次頻率峰值。

文獻(xiàn)[4]采用階次分析方法分析發(fā)現(xiàn)低速時36 階次的電磁噪聲最為明顯。

文獻(xiàn)[5]通過增加端蓋結(jié)構(gòu)剛度以提高發(fā)電機(jī)的固有頻率使電磁噪聲有所降低。邊頻現(xiàn)象是一種振動信號的調(diào)制現(xiàn)象,多見于齒輪嚙合當(dāng)中,當(dāng)齒輪產(chǎn)生周期性的脈動沖擊力時, 在頻譜圖上會出現(xiàn)以齒輪的嚙合頻率為中心、兩側(cè)間隔距離一致的調(diào)制邊頻帶[6] 。與齒輪傳動系統(tǒng)邊頻的產(chǎn)生類似,車用發(fā)電機(jī)也存在邊頻現(xiàn)象。在車用發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,傳遞扭矩的波動會引起噪聲和振動信號的幅值調(diào)制,角速度的不均勻則會引起頻率調(diào)制。在這些因素的影響下,車用發(fā)電機(jī)會以激勵力頻率為中心,在左右間隔為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)頻處出現(xiàn)較高的峰值。發(fā)電機(jī)邊頻帶的存在,易引起發(fā)電機(jī)本體和其他部件的固有頻率相近時產(chǎn)生共振,從而產(chǎn)生噪聲,影響乘坐舒適性。引發(fā)發(fā)電機(jī)邊頻現(xiàn)象的因素有很多。一方面發(fā)動機(jī)曲軸皮帶輪帶動發(fā)電機(jī)帶輪進(jìn)行發(fā)電,其波動的曲軸轉(zhuǎn)速導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動可以引發(fā)邊頻現(xiàn)象;另一方面,在發(fā)電機(jī)發(fā)電過程中,以正弦曲線的形式出現(xiàn)的導(dǎo)線切割磁感線而產(chǎn)生電流,使得激勵力也是呈正弦的形式出現(xiàn),此時激勵力的波動也會引發(fā)邊頻現(xiàn)象;此外,加工和裝配中的不均衡,使得發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)軸圓周方向跳動,更進(jìn)一步加深了發(fā)電機(jī)的邊頻效應(yīng)。邊頻現(xiàn)象具有特殊性,目前業(yè)界對于發(fā)電機(jī)邊頻引起共振從而引發(fā)嘯叫的研究較少。

文獻(xiàn)[7]對齒輪系統(tǒng)的邊頻帶,從理論上分析了單一調(diào)幅、單一調(diào)頻和調(diào)幅調(diào)頻共同作用下調(diào)制信號的邊頻帶分布特點(diǎn),給邊頻帶的診斷提供了參考。

文獻(xiàn)[8]在進(jìn)行齒輪診斷時,發(fā)現(xiàn)邊頻帶是以齒輪的嚙合頻率為中心, 以軸的旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊頻帶。總之,這些研究對象大多是普通電機(jī),且局限于傳統(tǒng)的階次激勵力的研究,對于一些調(diào)制的現(xiàn)象,尤其是邊頻引起的嘯叫較為鮮見。

1　發(fā)電機(jī)電磁力邊頻嘯叫產(chǎn)生機(jī)理

1. 1　汽車發(fā)電機(jī)電磁激勵力汽車上常用的發(fā)電機(jī)是有刷硅整流發(fā)電機(jī),主要由轉(zhuǎn)子、定子、整流器、端蓋及其附件組成[9] ,如圖1 所示。其工作原理是:通過車載電源給轉(zhuǎn)子供電,使得轉(zhuǎn)子的6 個爪極的外圍之間形成12根磁感線,每單相一圈占12 個定子槽即12 根軸向?qū)Ь€,導(dǎo)線每切割一次磁感線產(chǎn)生一次交變電流,即每單相每轉(zhuǎn)動一圈產(chǎn)生12 次的交變電流,而三相總共有36 個定子槽,當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈時,總共產(chǎn)生36 次交變電流?？梢?轉(zhuǎn)子的36 階是主要的電磁激勵力階次。電機(jī)氣隙磁場中的電磁力波作用在定子齒尖上,使電機(jī)發(fā)生結(jié)構(gòu)振動,進(jìn)而向外輻射電磁噪聲。它涉及到電磁學(xué)、振動學(xué)和聲學(xué)等多個物理場。

在汽車發(fā)電機(jī)中,電磁力主要分為徑向力和切向力。徑向力的不平衡會導(dǎo)致鐵心產(chǎn)生徑向振動變形;切向力使得導(dǎo)線產(chǎn)生與發(fā)動機(jī)皮帶反向的扭矩,使定子根部局部變形。一般來說,徑向力導(dǎo)致的振動是電磁噪聲的主要來源[10] 。當(dāng)電磁力頻率與其他部件的固有頻率相近時就會引起較大的振動,產(chǎn)生噪聲。根據(jù)畢奧薩伐電磁力定律,氣隙磁場單位面積的徑向電磁力[11] :

式中:θ 是機(jī)械角位移;B 是氣隙磁密;μ0 是真空磁導(dǎo)率。定子和轉(zhuǎn)子繞組中的主波磁勢和各次諧波相互作用會產(chǎn)生一系列的力波,其中主波磁場的徑向力波可表示:

式中：

P0 為徑向力均勻作用于圓周的作用力;P1 是徑向力波的交變力。

式中:ω1 是主波角速度;p 是主波極對數(shù);θ0 是初相角?？梢?對于某個線束來說,徑向力是一個交變力[11] ,會對機(jī)構(gòu)產(chǎn)生周期性的影響。1. 2　激勵力調(diào)制1. 2. 1　幅值調(diào)制假設(shè)發(fā)電機(jī)激勵力頻率作為載波信號:

作為調(diào)制的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)頻:

利用積化和差公式展開已調(diào)信號:

式中:A 是載波信號的幅值;β 是幅值調(diào)制指數(shù); fc 是載波頻率(產(chǎn)生電流的電磁激勵力頻率); fe 是調(diào)制信號的頻率(發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率);φ 是初相角。從式(6)可以看出,已調(diào)信號包括三個正弦分量:一個是原始的正弦載波信號,另外兩個分別是頻率成分為(fc + fe) 和(fc - fe) 的正弦信號。這兩個正弦分量均勻分布在載波信號的兩側(cè),稱為上、下邊頻帶。1. 2. 2　頻率調(diào)制頻率調(diào)制是指載波信號受到調(diào)制而形成的變頻信號,表現(xiàn)為時域波形疏密的變化。對于正弦信號Asin(2πft + φ),其相位:Ф(t) = 2πft + φ, 假設(shè)齒輪嚙合的載波信號:

作為調(diào)制信號的齒輪的旋轉(zhuǎn)信號:

則頻率調(diào)制信號可描述成:

已調(diào)信號的相位Ф(t) = 2πfct + βcos(2πfet) +φ ,其頻率:

式中:βfe 表明了頻率調(diào)制的頻率偏離范圍。A 是載波信號的幅值;β 是頻率調(diào)制指數(shù);fc 是載波頻率(電磁激勵力頻率);fe 是調(diào)制信號的頻率(發(fā)電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)頻率);φ 是初相角。根據(jù)第一類貝塞爾函數(shù)展開式,已調(diào)信號的頻譜圖中將出現(xiàn)無窮多對間隔為調(diào)制頻率fe 的邊頻帶,越往中心頻率偏離的邊頻帶的幅值越來越小。第一類貝塞爾展開式:

式中: Jn 是以β 為自變量的第n 階貝塞爾系數(shù),n =0,1,2,3,…。從上式可以看出,除了載波頻率fc 之外,頻譜圖中將出現(xiàn)無窮多對間隔為調(diào)制頻率fe 的邊頻帶。1. 2. 3　發(fā)電機(jī)的幅值調(diào)制和頻率調(diào)制在發(fā)電機(jī)中,轉(zhuǎn)軸的加工和裝配引起的圓跳動以及電磁力的波動通常會引起幅值調(diào)制[12] ;轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速波動通常引起頻率調(diào)制。發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中將同時存在幅值調(diào)制與頻率調(diào)制。雖然電磁激勵力頻率是工程師最關(guān)注的,但其邊頻有時也會對系統(tǒng)帶來一定的影響,在做NVH 分析時同樣不容忽視。2　問題描述某款使用有刷硅整流發(fā)電機(jī)的車型,在怠速開空調(diào)的工況下,人耳能感受到嘯叫聲。圖2 為目標(biāo)車與其他競標(biāo)車頻域聲壓級對比測試數(shù)據(jù),其中紅色曲線表示目標(biāo)車,在1 220 Hz 附近出現(xiàn)了較大的峰值。

3　原因分析在發(fā)電機(jī)附近布置麥克風(fēng),同時在發(fā)電機(jī)殼體上面粘貼振動傳感器,發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)近場噪聲也存在1 220 Hz 的嘯叫, 并且發(fā)電機(jī)殼體振動彩圖在1 220 Hz 存在峰值,其附近有幾條間隔相等的頻帶,如圖3 所示。經(jīng)過計算發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)的傳動比,推導(dǎo)得出怠速開空調(diào)工況下發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)頻為34 Hz,而發(fā)電機(jī)36 階頻率是1 254 Hz,并不是嘯叫聲1 220 Hz 的中心頻率。但是1 254 Hz 與1 220 Hz的差值剛好等于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)頻,初步懷疑1 220 Hz的嘯叫是由發(fā)電機(jī)36 階左邊的邊頻引起的。

對發(fā)電機(jī)的傳遞路徑進(jìn)行分析,在左、右、后懸置的主被動段粘貼振動傳感器,發(fā)現(xiàn)1 220 Hz 的振動主要通過右懸置Z 向傳遞到車身,如圖4 所示。

對目標(biāo)車進(jìn)行加速掃略實(shí)驗(yàn),發(fā)電機(jī)本體加速度在1 220 Hz 附近無共振帶,嘯叫聲不是電機(jī)殼體模態(tài)引起的,如圖5 所示。

由于響應(yīng)等于激勵源與傳遞函數(shù)的乘積,發(fā)生在1 220 Hz 嘯叫問題的解決,需要確定響應(yīng)要是由路徑貢獻(xiàn)的還是激勵源貢獻(xiàn)的。如果改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,嘯叫頻率隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化,那么證明主要是發(fā)電機(jī)激勵起來的,與傳遞路徑關(guān)系不大。經(jīng)過實(shí)驗(yàn),發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 000 r/ min,按照推算,發(fā)電機(jī)的激勵力頻率為1 476 Hz,然而在1 476 Hz 處卻沒有明顯的峰值,如圖6 所示。同理,將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 200 r/ min、1 500 r/ min 時也同樣沒有出現(xiàn)發(fā)電機(jī)激勵力相應(yīng)的峰值,證明主要與傳遞路徑有關(guān)。

對發(fā)動機(jī)殼體進(jìn)行仿真,發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)支架處正好是1 221 Hz 的模態(tài)頻率。計算結(jié)果如圖7 所示。

因此,1 220 Hz 處的嘯叫,不僅是發(fā)電機(jī)的激勵力頻率及其邊頻引起的,也是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)支架處存在1 221 Hz 的模態(tài),這一階模態(tài)與發(fā)電機(jī)激勵力的左邊頻1 220 Hz 接近,從而引發(fā)共振,進(jìn)而引起嘯叫。4　解決方案及其效果通過上述分析,該車嘯叫問題是由發(fā)電機(jī)激勵力與發(fā)電機(jī)支架在1 220 Hz 的模態(tài)共振引起的。本文通過改變激勵源的頻率進(jìn)行避頻優(yōu)化。如圖8所示,將發(fā)電機(jī)直徑52 mm 的皮帶輪更換為直徑55 mm 的皮帶輪,改變了電磁激勵力的頻率,其邊頻相應(yīng)改變,從而避開了車身在1 220 Hz 處的固有模態(tài)。根據(jù)產(chǎn)品工程師提供的參數(shù),直徑55 mm 的皮帶輪滿足供電需求。

更換皮帶輪后,發(fā)電機(jī)的中心頻率由1 254 Hz降到了1 180 Hz,發(fā)電機(jī)殼體振動如圖9 所示。

從圖10 的測試結(jié)果中可以明顯看到,在1 220Hz 處優(yōu)化方案聲壓下降12 dB(A),總體聲壓級下降1. 5 dB(A);而且,在新的發(fā)電機(jī)激勵力中心頻率1 180 Hz 處沒有出現(xiàn)較大的峰值。從聽覺感受上,嘯叫聲消失,優(yōu)化效果明顯,實(shí)現(xiàn)了在滿足供電需求的情況下對嘯叫的控制。

5　結(jié)　語

本文闡述了發(fā)電機(jī)激勵力邊頻的產(chǎn)生機(jī)理,并通過某車型的實(shí)際案例介紹了嘯叫現(xiàn)象的分析方法。根據(jù)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,定位引起嘯叫的原因是由于發(fā)電機(jī)36 階激勵力的中心頻率的邊頻與發(fā)電機(jī)支架模態(tài)發(fā)生共振。通過改變發(fā)電機(jī)皮帶輪的直徑,使激勵力的邊頻避開支架模態(tài),在保證了發(fā)電機(jī)供電需求的前提下,使得1 220 Hz 處的聲壓下降12 dB(A),總體聲壓級下降1. 5 dB(A),從而大幅改善了車輛的聲品質(zhì)。

作者：黃金旺1,梁　卓2,李海平2,李奕慈1,黃元毅1作者單位：(1. 上汽通用五菱汽車股份有限公司,柳州 545007;2. 湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司,柳州 545007)

來源：微特電機(jī)